徐鈺琪，許輝杰，郭瑞雪，方明月，鄭鍵彬，謝翠婷

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

超聲駐波懸浮傳輸技術(shù)可實現(xiàn)對微量液體材料或微小器件的非接觸操作，加強(qiáng)其在生物技術(shù)[1,2]、分析化學(xué)[3]和材料加工[4,5]等許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力. 目前，國內(nèi)外對超聲駐波懸浮傳輸裝置的研制已經(jīng)取得了很多的研究成果.

單軸聲懸浮器由一個發(fā)射端和一個反射端構(gòu)成，已被廣泛用于軸上懸浮輕質(zhì)小物體[6]. 一些單軸懸浮器甚至可以懸浮高密度材料，如銥和汞[7,8]. 通過改變聲場中勢阱的位置可以實現(xiàn)對物體的傳輸控制，目前的控制方法主要包括：頻率控制法、相位控制法、諧振腔長度控制法、振幅控制法等[9]. 各種控制方法沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，相位控制法逐漸成為超聲駐波懸浮傳輸控制技術(shù)的主要發(fā)展趨勢，利用相位控制法、通過不同的系統(tǒng)可以實現(xiàn)對物體的二維操縱[10,11]. 但是上述提及的方法只能使物體在一個軸或平面上懸浮和移動，這在一定程度上限制了超聲波懸浮操作的進(jìn)一步應(yīng)用.

近年來，三維操作技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注. 有研究學(xué)者模擬了不同條件下的三維聲場，并由此設(shè)計了許多器件. Ochiai等人搭建了由兩個或者四個換能器陣列組成的裝置，每個換能器陣有數(shù)百個超聲波傳感器分開控制，分別設(shè)置適當(dāng)?shù)南辔徊?，可以產(chǎn)生多個焦點[12,13]. 盡管這個實驗進(jìn)行了三維操作，但物體僅能在單個平面的這些點上懸浮. 由于聲波被聚焦，勢阱的數(shù)量減少，只有少數(shù)粒子可被懸浮. Omirou等人設(shè)計了兩相控陣列懸浮系統(tǒng)[14]，通過控制傳感器的振幅和相位來實現(xiàn)物體的三維運(yùn)動，但懸浮粒子的數(shù)量仍然相對較少.

針對目前三維聲操作技術(shù)懸浮粒子數(shù)量少、懸浮空間局限的問題，本文設(shè)計了包含三對相對超聲換能器陣列的裝置，通過改變兩個相對換能器陣的相位差實現(xiàn)粒子在x、y和z方向的移動，提出了一種在三維空間同時控制大量粒子的技術(shù)建議. 該技術(shù)對需要觀察和比較許多小物體(例如細(xì)胞和生物材料)的情況具有一定的適用性. 此外，該裝置可以應(yīng)用于測量聲速，具有一定的創(chuàng)新性.

1 實驗原理[15]

根據(jù)Gor′ kov[16]關(guān)于聲懸浮的理論，作用于半徑為R的小球上的聲輻射時間平均勢為

(1)

因此，施加在小球的聲輻射力可以通過Gor′ kov勢Urad的梯度確定為

(2)

粒子將被聚集在局部極小值處，稱為聲勢阱.

為了實現(xiàn)對粒子的三維操控，本文考慮使用由3對相反的平面波疊加而成的3個正交駐波. 對于每一對平面波，一個平面波的相位是可調(diào)的，而另一個是恒定的. 因此，3個正交的駐波可以表示為

(3)

(4)

(5)

其中，?x、?y、?z分別是x、y、z方向兩個相對的平面波之間的相位差. 3個正交駐波的聲壓疊加值為

p(x,y,z)=px+py+pz

(6)

2 裝置設(shè)計

基于換能器陣的三維多粒子懸浮及操控裝置系統(tǒng)主要由三維超聲波換能器陣列、單片機(jī)控制模塊、驅(qū)動放大模塊、電源供電模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成(圖1、圖2).

圖1 實驗系統(tǒng)

圖2 實驗系統(tǒng)總框圖

三維超聲波換能器陣列，根據(jù)上述懸浮原理，設(shè)計該模塊由3對相對的換能器陣列組成，它們產(chǎn)生3個正交的駐波，能夠?qū)⑽矬w懸浮在空中，如圖3所示. 相對的換能器陣列分別沿x、y和z方向固定，兩個相對的陣列之間的距離為10 cm. 每個換能器陣列都有5×5個換能器，固定在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的背板上，兩個相鄰換能器的中心距離為12 mm. 所使用的傳感器(HY-1040ABS-T)的直徑為10 mm,高度為7 mm. 與相控陣聚焦不同，每個陣列上的換能器是并聯(lián)連接的，因此每個換能器發(fā)出的聲波的相位是相同的，即陣列發(fā)出的聲波是近似的平面波. 應(yīng)該注意的是，籃板對聲波的反射會干擾并削弱聲壓，從而大大影響操縱的穩(wěn)定性. 因此，本文設(shè)計了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的背板，以允許聲波通過并大大減少反射. 另外，該設(shè)備固定在支架上，以避免桌子反射.

圖3 三維超聲波換能器陣列實物圖

單片機(jī)控制模塊，由聲懸浮操縱原理可知，可以通過改變信號的相位、頻率及幅度來改變聲學(xué)參數(shù)，從而實現(xiàn)對粒子的操縱. 而RT1064開發(fā)板中的MCU有多個PWM外部輸出端口，可以直接調(diào)用開發(fā)板源程序資料中的PWM函數(shù)，直接修改輸出PWM波的頻率，修改輸出延時來改變相位，本實驗設(shè)置每100 ms改變一次相位. 單片機(jī)的供電則由電池轉(zhuǎn)5 V穩(wěn)壓輸出供電.

驅(qū)動放大模塊采用3路L298N驅(qū)動器對單片機(jī)輸出的控制信號進(jìn)行過濾放大，L298N驅(qū)動器工作電壓可達(dá)到36 V/4 A. 由于每兩面陣列的各個換能器大部分是并聯(lián)關(guān)系，由功率疊加原理可知，換能器陣列需要更大的驅(qū)動電壓或電流，于是采用此模塊進(jìn)行功率放大. 3對面與面陣列由3路L298N驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，方便對不同參數(shù)的調(diào)整.

由于驅(qū)動模塊對單片機(jī)的控制信號進(jìn)行放大需要一定的工作電壓，電壓需要提供穩(wěn)壓輸出給功率放大模塊. 考慮到大多數(shù)的穩(wěn)壓輸出模塊是升壓穩(wěn)定輸出，一般來說功率不足，于是使用降壓的開關(guān)電源. 實驗測試時，發(fā)現(xiàn)市面上常見的24 V穩(wěn)壓輸出具有較好的驅(qū)動效果，小球能穩(wěn)定懸浮，于是本文采用了220 V轉(zhuǎn)24 V的開關(guān)電源對裝置進(jìn)行供電.

考慮到人眼觀測和刻度尺測量的誤差和局限，本文利用高速攝像機(jī)對粒子進(jìn)行拍攝，記錄下每個粒子的運(yùn)動情況，方便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

對于實驗，首先用設(shè)備展示了使用膨脹聚苯乙烯小球的懸浮效果，如圖4所示. 從圖4中可以看出，大量的顆粒懸浮在空氣中. 由于勢阱的尺寸大于小球的直徑，小球之間不可避免地存在靜電力，因此，一些小球可能會聚集在一起. 接下來，通過調(diào)整兩個相對的換能器陣列之間的相位差來操縱小球的運(yùn)動. 例如，圖5顯示了隨著相位差的變化，小球的實際位置的時間序列. 顯然，隨著相位差的變化，小球沿著相應(yīng)的方向移動. 實驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)整x、y、z方向信號的相位差，都可以讓小球沿著相應(yīng)的方向移動，表明該實驗可以實現(xiàn)可控.

圖4 多粒子懸浮效果圖

圖5 小球在y方向上的傳輸軌跡圖

3 裝置應(yīng)用舉例：駐波共振法測量聲速[17,18]

依據(jù)聲懸浮的原理，物體將懸浮于聲壓波節(jié)處，駐波聲場中相鄰波節(jié)或波腹位置之間的距離為該超聲波的半波長. 當(dāng)聲波諧振腔的長度恰好為聲波半波長的整數(shù)倍時，產(chǎn)生諧振，小球懸浮，懸浮時有

(9)

由

v=λf

(10)

得

(11)

其中，f為輻射端超聲波頻率，L為諧振腔間的間距.

如表1所示，通過計算所得聲速v=333.56 m/s，與文獻(xiàn)中理論聲速誤差為1.89%；在Matlab對像素坐標(biāo)取點的過程中發(fā)現(xiàn)，由于小球有一定的大小以及參考點有一定的尺寸，導(dǎo)致每次對像素點進(jìn)行定位的像素坐標(biāo)都會有所不同(圖6). 又因為實際距離與像素點坐標(biāo)本身就有較大的縮放比例，且兩個小球之間的實際間距Δd，亦即波長的數(shù)量級與聲速數(shù)量級相差較大，導(dǎo)致像素坐標(biāo)取值稍微有所不同，就會使計算所得的聲速與理論值有較大差距.

表1 測量數(shù)據(jù)及結(jié)果

圖6 部分像素坐標(biāo)提取結(jié)果圖

另外，在實際操作過程中，可能由于相機(jī)擺放角度與粒子所在平面不夠平行、參照點選取不合適、Matlab計算像素點間距時選取的像素點有偏差等導(dǎo)致聲速的測量與理論值偏差較大.

用該方法測量聲速必須在十分嚴(yán)格的環(huán)境與條件下進(jìn)行，且測量結(jié)果相對誤差一般較大，本小組經(jīng)過多次試驗，相對誤差一般在2%～5%左右.

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一種由3對相對的換能器陣列組成的超聲波懸浮器，用于懸浮和操縱空中的許多小顆粒. 通過改變換能器陣列的相位差，可以在三維方向上控制粒子的移動. 利用該裝置可以測量聲速，但必須在十分嚴(yán)格的環(huán)境與條件下進(jìn)行測量，且測量結(jié)果相對誤差一般較大，相對誤差在2%～5%左右. 該裝置提供了處理大量顆粒的技術(shù)方案，這在生物技術(shù)、分析化學(xué)和材料加工等領(lǐng)域創(chuàng)造了應(yīng)用聲學(xué)處理技術(shù)的更多可能性.